مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS

مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS

 مدلسازی و شبیه سازی سوئیچMPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود

 

 

فصل اول: کیفیت سرویس و فن آوری های شبکه

 ۱-۱- مقدمه۱

۱-۲- کیفیت سرویس در اینترنت۱

۱-۲-۱- پروتکل رزور منابع در اینترنت ۳

 ۱-۲-۲- سرویس های متمایز۴

 ۱-۲-۳- مهندسی ترافیک۶

 ۱-۲-۴- سوئیچنگ برحسب چندین پروتکل ۹

 ۱-۳- مجتمع سازی IP و ATM

 1-3-1- مسیریابی در IP

 1-3-2- سوئیچینگ۱۳

 ۱-۳-۳- ترکیب مسیریابی و سوئیچینگ۱۴

 ۱-۳-۴- MPLS

 

فصل دوم: فناوری ( فن آوری )MPLS 

 ۲-۱- مقدمه۲۳

 ۲-۲- اساس کار MPLS

 2-2-1- پشته برچسب ۲۶

 ۲-۲-۲- جابجایی برچسب ۲۷

 ۲-۲-۳- مسیر سوئیچ برچسب (LSR)

 2-2-4- کنترل LSP۲۹

 ۲-۲-۵- مجتمع سازی ترافیک۳۰

 ۲-۲-۶- انتخاب مسیر۳۰

 ۲-۲-۷- زمان زندگی (TTL)

 2-2-8- استفاده از سوئیچ های ATM به عنوان LSR

 2-2-9- ادغام برچسب ۳۲

 ۲-۲-۱۰- تونل ۳۳

 ۲-۳- پروتکل های توزیع برچسب در MPLS

 

فصل سوم: ساختار سوئیچ های شبکه

 ۳-۱- مقدمه۳۵

 ۳-۲- ساختار کلی سوئیچ های شبکه۳۵

 ۳-۳- کارت خط ۴۰

 ۳-۴- فابریک سوئیچ ۴۲

 ۳-۴-۱- فابریک سوئیچ با واسطه مشترک ۴۳

 ۳-۴-۲ فابریک سوئیچ با حافظه مشترک ۴۴

 ۳-۴-۳- فابریک سوئیچ متقاطع۴۵

 

فصل چهارم: مدلسازی و شبیه‌سازی یک سوئیچMPLS 

 ۴-۱- مقدمه۵۰

 ۴-۲- روشهای طراحی سیستمهای تک منظوره۵۰

 ۴-۳- مراحل طراحی سیستمهای تک منظوره۵۲

 ۴-۳-۱- مشخصه سیستم۵۳

 ۴-۳-۲- تایید صحت ۵۳

 ۴-۳-۳- سنتز۵۴

 ۴-۴ – زبانهای شبیه سازی ۵۴

 ۴-۵- زبان شبیه سازی SMPL

 4-5-1- آماده سازی اولیه مدل۵۸

 ۴-۵-۲ تعریف و کنترل وسیله۵۸

 ۴-۵-۳ – زمانبندی و ایجاد رخدادها ۶۰

 ۴-۶- مدلهای ترافیکی ۶۱

 ۴-۶-۱- ترافیک برنولی یکنواخت ۶۲

 ۴-۶-۲- ترافیک زنجیره ای ۶۲

 ۴-۶-۳- ترافیک آماری ۶۳

 ۴-۷- مدلسازی کارت خط در ورودی ۶۴

 ۴-۸- مدلسازی فابریک سوئیچ ۶۶

 ۴-۸-۱- الگوریتم iSLIP

 4-8-2- الگوریتم iSLIP اولویت دار ۷۱

 ۴-۸-۳- الگوریتم iSLIPاولویت دار بهینه۷۶

 ۴-۹- مدلسازی کارت خط در خروجی ۷۹

 ۴-۹-۱ – الگوریتم WRR

 4-9-2- الگوریتم DWRR

 4-10- شبیه سازی کل سوئیچ ۸۲

 ۴-۱۱- کنترل جریان ۹۰

 

 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

 ۵-۱- مقدمه۹۳

 ۵-۲- نتیجه گیری ۹۳

 ۵-۳- پیشنهادات۹۴

 مراجع۹۵

 

 

چکیده

 امروزه سرعت بیشتر و کیفیت سرویس بهتر مهمترین چالش های دنیای شبکه می باشند. تلاشهای زیادی که در این راستا در حال انجام می باشد، منجر به ارائه فنآوری ها، پروتکل ها و روشهای مختلف مهندسی ترافیک شده است. در این پایان نامه بعد از بررسی آنها به معرفی MPLS که به عنوان یک فنآوری نوین توسط گروه IETF ارائه شده است، خواهیم پرداخت. سپس به بررسی انواع ساختار سوئیچ های شبکه خواهیم پرداخت و قسمتهای مختلف تشکیل دهنده یک سوئیچMPLS را تغیین خواهیم کرد. سرانجام با نگاهی به روشهای طراحی و شبیه سازی و نرم افزارهای موجود آن، با انتخاب زبان شبیه سازی SMPL، به شبیه سازی قسمتهای مختلف سوئیچ و بررسی نتایج حاصل می پردازیم. همچنین یک الگوریتم زمانبندی جدید برای فابریک سوئیچ های متقاطع با عنوان iSLIP اولویت دار بهینه معرفی شده است که نسبت به انواع قبلی دارای کارآیی بسیار بهتری می باشد.

 

 

Abstract

 Nowadays achieving higher speeds and better quality of service are the main subjects of networking. Many attempts are made in this way which have led to introducing various technologies, protocols and traffic engineering methods. In this thesis, after studying the above-mentioned parameters, IETF’s new technology called MPLS will be introduced. Then several different switch architectures are examined and the components of an MPLS switch are selected. Finally after a quick look at design and simulation methods and their available softwares, SMPL is chosen as simulation tool and then switch components are simulated and the results are studied. Also a new scheduling algorithm for crossbar switch fabrics named “The Optimized Prioritized iSLIP” is introduced which has much better performance than its previous versions.

 

فصل اول : کیفیت سرویس و فن آوری های شبکه

 ۱-۱- مقدمه

 

با گسترش تعداد کاربران اینترنت و نیاز به پهنای باند بیشتر از سوی آنها، تقاضا برای استفاده از سرویسهای اینترنت با سرعت رو به افزایش است و تهیه کننده های سرویس اینترنت برای برآورده سازی این تقاضا ها احتیاج به سوئیچ های با ظرفیت بیشتر دارند ]۱[.

 

در این میان تلاشهای زیادی نیز برای دستیابی به کیفیت سرویس بهتر در حال انجام می‌باشد. فنآوریATM[1] نیز که به امید حل این مشکل عرضه شد، بعلت گسترش و محبوبیتIP[2] نتوانست جای آن را بگیرد و هم اکنون مساله مجتمع سازی IP و ATM نیز به یکی از موضوعات مطرح در زمینه شبکه تبدیل شده است.

 

در این فصل به معرفی مسائل و مشکلات مربوط به کیفیت سرویس و مجتمع سازی IP و ATM می پردازیم و راه حلهای ارائه شده از جمله MPLS [3] رابررسی خواهیم نمود.

 

۱-۲- کیفیت سرویس در اینترنت

 

 سرویسی که شبکه جهانی اینترنت به کاربران خود ارائه داده است، سرویس بهترین تلاش۴ بوده است. یکی از معایب اصلی این سرویس این است که با وجود اینکه مسیریاب‌های شبکه به خوبی قادر به دریافت و پردازش بسته های ورودی می باشند ولی هیچگونه تضمینی در مورد سالم رسیدن بسته ها به مقصد وجود ندارد. با توجه به رشد روز افزون استفاده از اینترنت و به خصوص با توجه به اشتیاق زیاد به اینترنت به عنوان ابزاری برای گسترش تجارت جهانی، تلاش های زیادی جهت حفظ کیفیت سرویس (QoS)[1] در اینترنت در حال انجام می باشد. در این راستا در حال حاضر کلاس های سرویس متنوعی مورد بحث و توسعه می باشند. یکی از کلاس های سرویس فوق ، به شرکت ها و مراکز ارائه سرویس های web که نیاز به ارائه سرویس های سریع و مطمئن به کاربران خود دارند، اختصاص دارد.

 

یکی دیگر از کلاس های سرویس جدید در اینترنت ، به سرویس هایی که نیاز به تاخیر و تغییرات تاخیر کمی دارند، اختصاص دارد. سرویس هایی نظیر تلفن اینترنتی[۲] و کنفرانس‌های تصویری اینترنتی نمونه ای از سرویس های این کلاس سرویس می باشند.

 

برای نیل به سرویس های جدید فوق، عده ای براین عقیده هستند که در آینده ای نزدیک تکنولوژی فیبر نوری وWDM[3] آنقدر رشد خواهد کرد که اینترنت به طور کامل بر مبنای آن پیاده سازی خواهد شد و عملا مشکل پهنای باند و همچنین تضمین کیفیت سرویس وجود نخواهد داشت. عقیده دوم که ظاهرا درست تر از عقیده اول می باشد، این است که با وجود گسترش فنآوریهای انتقال و افزایش پهنای باند، هنوز به مکانیسم هایی برای تضمین کیفیت سرویس کاربران نیاز می باشد. در حال حاضر اکثر تولید کنندگان مسیریاب ها و سوئیچ های شبکه اینترنت، در حال بررسی و افزودن مکانیسم‌هاییبرای تضمین کیفیت سرویس در محصولات خود می باشند.

 

از سوی سازمان جهانی IETF[4] مدل ها و مکانیسم های مختلفی برای تضمین کیفیت سرویس مورد تقاضای کاربران ارائه شده است. برخی از مهمترین این مدل ها عبارتند از:

 

۱-پروتکل رزرو منابع در اینترنت RSVP[5]

 

2-سرویس های متمایزDS[6]

 

3-مهندسی ترافیک

 

۴-سوئیچنگ برچسب چندین پروتکل MPLS

 

در قسمتهای بعدی به طور خلاصه با هر یک از مدل های فوق آشنا می شویم .

 

 

۱-۲-۱- پروتکل رزور منابع در اینترنت

 

پروتکل RSVPبه عنوان یک پروتکل سیگنالینگ برای رزرو منابع در اینترنت استفاده می شود.

 

پروتکل RSVP به عنوان یک پروتکل سیگنالینگ برای رزرو منابع در اینترنت استفاده می شود. در شکل 1-1 مثالی از عملیات سیگنالینگ RSVP نشان داده شده است. مطابق با شکل فوق، فرستنده ابتدا پیام PATH را ارسال می دارد. در این پیام مشخصات و پارامترهای ترافیکی فرستنده موجود می باشد. هر مسیریاب شبکه با دریافت پیام PATH با کمک جدول مسیریابی خود پیام را هدایت نموده تا اینکه پیام به مقصد نهایی برسد. گیرنده نهایی بعد از دریافت پیام PATH ،پیام RESV را ازخود عبور داده و منابع لازم شامل پهنای باند و فضای بافر را به ارتباط جدید اختصاص می دهد. چنانچه یکی از مسیریاب های موجود در مسیر، قادر به قبول پیام RESV نباشد، آنرا رد نموده و پیام خطایی به گیرنده ارسال می نماید و سپس عملیات سیگنالینگ خاتمه می یابد. با قبول پیامRESVاز جانب هر مسیر یاب موجود در مسیر، اطلاعات وضعیت مربوط به جریان ترافیکی فوق ثبت می شود .

 

با ورود هر بسته به مسیریاب های شبکه، واحد طبقه بندی کننده، بسته ورودی را به یک کلاس خاص طبقه بندی نموده و سپس بسته ورودی را در یک صف خاص قرار می دهد. عملیات زمانبندی بسته ها در هر صف موجود در مسیریاب، توسط واحد زمان بند بسته طوری انجام می گردد که کیفیت سرویس مورد نظر تامین شود. این سرویس دارای مشکلات زیر می باشد:

 

1- میزان اطلاعات وضعیت متناسب با تعداد جریان های ترافیکی افزایش می یابد. بنابراین برای نگهداری اطلاعات وضعیت در مسیریاب ها نیاز به حافظه زیادی می باشد. همچنین بالاسری عملیات مسیر یاب ها به شدت افزایش می یابد. لذا قابلیت مقیاس پذیری در ساختار سرویس های مجتمع به هیچ وجه مشاهده نمی گردد .

 

2- هر مسیر یاب نیاز به پروتکل RSVP ، روتین کنترل کننده دسترسی، طبقه بندی کننده جریان ترافیکی و زمان بند بسته دارد . بنابراین می توان گفت که در سرویس های مجتمع وظایف پردازشی مسیریاب ها به شدت زیاد می باشد.

 

1-2-2- سرویس های متمایز

 

به خاطر مشکلات پیاده سازی و توسعه سرویس های مجتمع که در بالا به آنها اشاره شد، سرویس های متمایز ارائه گردیدند . همانطور که می دانیم درسر فصل بسته های IPv4 فیلد یک بایتی به نام نوع سرویس (ToS) وجود دارد. در این فیلد سه بیت مختلف وجود دارد که برنامه های کاربردی با استفاده از این سه بیت قادر به تعیین نیازهای خود می باشند. سه بیت فوق عبارتند از:

 1- بیت D: نیاز به تاخیر کم

 2- بیت R:‌نیاز به نرخ اتلاف کم (اطمینان بالا)

 3- بیت T: نیاز به گذردهی بالا

 

در سرویس های متمایز، فیلد نوع سرویس به فیلد DSتغییر نام کرده است. با کد گذاری های مختلف فیلد DSو پردازش بسته ها براساس مقدار فیلد فوق، می توان کلاس های سرویس متمایزی را ایجاد نمود.

 

برای دسترسی به سرویس های متمایز، لازم است که کاربران شبکه به یک توافق سطح سرویس (SLA) با سرویس دهنده های اینترنت ((ISP ، برسند . کلاس های مختلف سرویس و میزان ترافیک هر کلاس در SLAمشخص می شود. SLAمی تواند به یکی از دو صورت ثابتو پویابیان شود. در نوع ثابت توافق ترافیکی بین کاربر و ISPثابت می باشد، در حالیکه در نوع پویا با استفاده از پروتکل های سیگنالینگ (مثل RSVP) سرویس مورد نظر کاربر متناسب با تقاضای آن قابل تنظیم می باشد. براساس SLAتوافق شده بین کاربر و شبکه، در مدخل ورودی به شبکه،‌ بسته‌های ورودی کاربران طبقه بندی، نظارت و در صورت لزوم شکل دهی می گردند. همچنین میزان بافر مورد نیاز جریان ترافیکی کاربر از اطلاعات موجود در SLAاستخراج می گردد.

 

با کمک عملیات طبقه بندی، نظارت، ‌شکل دهی و زمانبندی که در DSاجرا می گردد، می توان به سرویس های متمایز زیر دسترسی پیدا نمود.

 1- سرویس های تشویقی: برای کاربردهایی که به تاخیر و تغییرات تاخیر کم نیاز می باشد.

 2- سرویس های مطمئن : برای کاربردهایی که به اطمینان بالا نیاز می باشد.

 3- سرویس های المپیک : این سرویس ها خود به سه دسته سرویس های طلایی ، نقره‌ای و برنزی تقسیم بندی می شوند که به ترتیب کیفیت سرویس کاهش می یابد.

 

بین استفاده از سرویس های متمایز و RSVP تفاوت های زیر وجود دارد:

 از آنجائیکه در سرویس های متمایز تعداد کلاس های سرویس که توسط فیلد DSمشخص می شود بسیار محدود است، بنابراین برخلاف سرویس های مجتمع،‌ میزان اطلاعات وضعیت متناسب با تعداد کلاس های سرویس می باشد نه تعداد جریان های ترافیکی. این امر منجر به قابلیت مقیاس پذیری بالاتر سرویس های متمایز نسبت به سرویس های مجتمع می گردد.

 عملیات طبقه بندی، نشانه گذاری، نظارت و شکل دهی فقط در مرز شبکه باید انجام شود. بنابراین پیاده سازی و اعمال سرویس های متمایز ساده تر از سرویس های مجتمع می باشد.

 برای پیاده سازی سرویس های مطمئن، ‌ابتداتوسط مسیریاب ورودی شبکه عملیات طبقه بندی و نظارت صورت می گیرد. چنانچه ترافیک ورودی از آنچه که در SLA آمده است، بیشتر باشد در این صورت ترافیک ورودی متخلف می باشد، در غیر این صورت نامتخلف است. تمام بسته های ورودی و خروجی در یک صف قرار می گیرند و برروی آنها مدیریت صف صورت می گیرد .

 سرویس های تشویقی برای کاربرانی که ترافیک تولیدی آنها دارای حداکثر نرخبیت ثابت می باشد، تاخیر و تغییرات تاخیر کمی را تضمین می نماید. هر کاربر دارای یک توافق ترافیکی SLA با سرویس دهنده خود می باشد. در SLA حداکثر نرخ بیت مجاز کاربر قید شده است و کاربر موظف به رعایت آن می باشد. چنانچه نرخ بیت ارسال کاربر از حداکثر مجاز تجاوز نماید، ‌در این صورت ترافیک های اضافی از بین می روند. شبکه نیز متعهد می شود که پهنای باند مورد نیاز کاربر را تامین نماید. در کاربردهایی نظیر تلفن اینترنتی، کنفرانس ویدئوئی، ایجاد خطوط استیجاری و مجازی و VPN از سرویس های تشویقی استفاده می شود.